1 СТРОИТЕЛЬНЫЕ И ОТДЕЛОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

1.1 Основные физико-механические свойства строительных материалов

Удельное значение в народном хозяйстве нашей страны строи­тельных материалов и изделий по объему производства и стоимости велико; потребление их с каждым годом возрастает во всех областях строительства; они составляют значительную часть стоимости зданий и сооружений. Экономное расходование и технически правильное применение материалов и изделий при проектировании и возведении зданий и сооружений является одним из основных средств снижения стоимости строительства. Наша промышленность строительных ма­териалов и изделий достигла больших успехов в области производст­ва цементов, керамических изделий, ячеистых бетонов и, особенно, сборных железобетонных изделий. По производству сборного желе­зобетона Россия занимает ведущее место в мире. Этому способство­вали достижения науки как в изучении свойств природных материа­лов, так и в создании новых искусственных высокоэффективных ма­териалов.

Среди новых искусственных материалов наиболее перспектив­ными являются строительные материалы и детали, изготовляемые на основе пластических масс.

Для правильного применения и лучшего использования мате­риалов в строительстве необходимо знание их физико-механических свойств.

Основными физико-механическими свойствами строительных материалов являются:

    удельный, объемный и насыпной вес; плотность и пористость; водопоглощение, водопроницаемость и морозостойкость; теплопроводность и теплоемкость; огнестойкость и огнеупорность; химическая стойкость против коррозии; прочность, упругость, пластичность и хрупкость; твердость, истираемость и износ. Удельный вес материала — это вес материала в единице объема в плотном состоянии (без пор).

Порами называются мелкие ячейки в материале, заполненные воздухом или водой и незаметные для невооруженного глаза.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Пустотами называются более крупные ячейки, а также полости между частицами или кусками насыпного материала.

Объемный вес материала - вес единицы объема материала в ес­тественном состоянии (вместе с порами)

Насыпной объемный вес материала - это объемный вес рыхлых (насыпных) материалов (песка, гравия, щебня), определяемый без вычета пустот

Плотность материала - степень заполнения объема материала твердым веществом, из которого состоит данный материал. Плот­ность выражается отношением объема материала в плотном состоя­нии (без пор) к его внешнему объему или отношением объемного ве­са к удельному весу. Плотность материала может быть выражена в процентах.

Пористость материала — это степень заполнения объема мате­риала порами. Пористость и плотность дополняют друг друга до пол­ного объема материала.

Водопоглощение материала — свойство материалов впитывать и удерживать в себе воду. Водопоглощение характеризуется степе­нью заполнения объема материала водой, т. е. отношением в процен­тах веса воды, поглощенной в установленный срок полностью погру­женным в воду образцом при атмосферном давлении, к весу образца, высушенного до постоянного веса (при температуре 110°С).

Водопоглощение определяется по разности между весом мате­риала, насыщенного водой (полностью или частично), и весом сухого образца.

Насыщение материалов водой отрицательно влияет на их основ­ные свойства — прочность, теплопроводность, объемный вес, плот­ность.

Влажность материала — это весовое содержание воды в мате­риале в процентах. Влажность по содержанию воды меньше, чем полное водопоглощение.

Водопроницаемость материала — способность материалов про­пускать воду под давлением. Величина водопроницаемости измеряет­ся количеством воды, прошедшим через 1 см2 образца материала в течение 1ч. при постоянном давлении. Особо плотные материалы (битум, стекло, сталь) или материалы с замкнутыми мелкими порами (толстый слой бетона специального состава) практически водоне­проницаемы.

Морозостойкость материала — способность насыщенного водой материала или изделия выдерживать многократное (по ГОСТу) попе­ременное замораживание в воздушной среде и оттаивание в воде без заметных признаков разрушения и значительного снижения прочно­сти (не более 20-25%). От морозостойкости зависит долговечность строительных материалов и сооружений из них.

Теплопроводность материала — свойство материала передавать через свою толщу от одной поверхности к другой тепловой поток при наличии разности температур на ограничивающих его поверхностях.

При замерзании влажных материалов коэффициент их тепло­проводности повышается, потому что коэффициент теплопроводно­сти льда в 4 раза больше, чем воды.

Теплоемкость материала — свойство материала поглощать теп­ло при нагревании и отдавать его при охлаждении. Материал выделя­ет тепла при охлаждении тем больше, чем выше его теплоемкость.

Огнестойкость материала — способность материала выдержи­вать без разрушения действие высоких температур и воды в условиях пожара. По степени огнестойкости строительные материалы делятся на три категории:

а) несгораемые материалы (гранит, бетон, кирпич, сталь) — под воздействием огня или высокой температуры не воспламеняются, не тлеют и необугливаются, однако некоторые несгораемые материалы при пожаре растрескиваются (гранит) или сильно деформируются (стальные конструкции);

б) трудносгораемые материалы — под воздействием огня или высокой температуры воспламеняются с трудом, тлеют или обугли­ваются, но после удаления источника огня их горение и тление пре­кращаются (фибролит, асфальтовый бетон);

в) сгораемые материалы — органические материалы, которые под действием огня воспламеняются, горят открытым пламенем и продолжают гореть или тлеть после удаления источника огня.

Огнеупорность материала — способность материалов противо­стоять длительному воздействию высоких температур (от 1580 °С и выше), не размягчаясь и не деформируясь. К таким материалам отно­сятся специальные огнеупорные материалы, применяемые для внут­ренней футеровки (облицовки) доменных, сталеплавильных, цемен­тообжигательных, стекловаренных печей и т. п.

Материалы, размягчающиеся при температуре 1350-1580 °С, на­зываются тугоплавкими (печной кирпич). Материалы, размягчаю­щиеся при температуре 1350° С, называются легкоплавкими.

Химическая стойкость материала против коррозии — сопротив­ление материалов воздействию кислот, щелочей, растворенных в воде газов и солей. Большинство строительных материалов не обладают стойкостью к действию кислот и щелочей. Высокой химической стойкостью против коррозии обладают керамические материалы.

Прочность материала — сопротивление материала механиче­ским разрушениям под действием внутренних напряжений, возни­кающих в нем от воздействия нагрузки или других факторов. Мате­риалы в сооружениях под воздействием нагрузок испытывают раз­личные внутренние напряжения: сжатие, растяжение, изгиб, срез, кручение. Вопросы прочности рассматриваются в курсе «Сопротив­ление материалов».

Строительные материалы, такие как: чугун, кирпич, бетон, кам­ни и т. п., хорошо сопротивляются сжатию, значительно хуже — срезу и плохо — растяжению; древесина, сталь хорошо выдерживают и сжимающие и растягивающие напряжения.

Прочность материалов характеризуется пределом прочности (временным сопротивлением) при сжатии, растяжении, изгибе, срезе.

Пределом прочности материала называют напряжение в кгс/см2, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца мате­риала.

Многие строительные материалы характеризуются марками, совпадающими по величине с пределами прочности (обычно при сжатии).

Прочность материала зависит от его плотности: с повышением плотности прочность материала значительно увеличивается.

Упругость материала — свойство материала деформироваться (изменять свою форму и размеры) под нагрузкой и принимать после разгрузки первоначальную форму и размеры.

Пластичность материала — свойство материала в значительных пределах изменять под нагрузкой размеры и форму, без образования трещин, и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Пластичными материалами являются мягкая сталь, свинец, глина, нагретый битум.

Хрупкость материала — свойство материалов разрушаться сразу (без предварительной деформации) под действием разрушающих на­грузок. Хрупкими являются каменные материалы, кирпич, бетон, че­репица и др. Хрупкие материалы легко разрушаются при ударах и не выдерживают высоких местных напряжений, давая трещины.

Твердость материала — способность материала сопротивляться прониканию в него другого, более твердого материала. Твердость ма­териалов не всегда соответствует их прочности. Так, древесина мно­ гих пород имеет высокую прочность при растяжении и сжатии, но твердость ее очень мала (мягкий материал). Твердость металлов, дре­весины и бетона определяется вдавливанием в них под постоянной нагрузкой стального шарика; диаметр отпечатка шарика и служит по­казателем твердости.

От твердости материала зависит и его истираемость, что важно для материалов, которые применяются для устройства полов, ступе­ней, тротуаров, дорог.

Истираемость материала выражается величиной потери первоначального веса, отнесенной к 1 см площади истирания.

Сопротивление материала удару — способность материала со­противляться ударным воздействиям. Строительные материалы в по­лах, дорожных покрытиях подвергаются не только истиранию, но и ударным воздействиям.

Строительные материалы и изделия выпускаются промышлен­ностью по государственным стандартам или техническим условиям, в которых устанавливаются основные характеристики, технические требования к ним, а также правила приемки, методы испытаний, по­рядок маркировки, упаковки, транспортирования и хранения. Область применения строительных материалов и изделий излагается в I части «Строительных норм и правил» (СНиП).

Природные строительные материалы

1.2.1 Лесные породы, применяемые в строительстве

В строительстве в основном применяются хвойные и значитель­но реже лиственные лесные породы. К хвойным породам относятся сосна, лиственница, кедр, ель, пихта; к лиственным — дуб, бук, бере­за и др. Сосна применяется в промышленном и жилищном строитель­стве, для строительства мостов, эстакад, для опалубки; из нее изго­товляют окна, двери и другие элементы зданий.

Лиственница имеет твердую древесину, стойкую против загни­вания; ее применяют в гидротехнических сооружениях.

Легкая мягкая древесина кедра по механическим свойствам ус­тупает древесине сосны.

Ель, как и сосна, широко применяется в промышленном и жи­лищном строительстве, однако древесина ели менее смолиста, чем древесина сосны, поэтому при использовании в сырых местах быст­ро загнивает.

Пихта применяется в строительстве в виде бревен, пиломате­риалов; древесина пихты по своему качеству близка к древесине ели.

Дуб — ценная древесная порода. Его древесина плотная, проч­ная и упругая. В строительстве чаще всего она употребляется для из­готовления паркета, ножевой фанеры, столярных и отделочных работ.

Плотная древесина бука обладает высокой прочностью, но она малостойка против гниения.

Береза имеет прочную и твердую древесину, которая применя­ется в фанерном производстве и для разных поделок. Древесина бере­зы также относительно легко загнивает.

Растущее дерево состоит из корня, ствола и кроны. Ствол, даю­щий основную массу древесины, используется в качестве строитель­ного материала. В поперечном разрезе древесного ствола различают следующие части (рис. 1.1): кору, камбий, собственно древесину и сердцевину. Кора защищает дерево от вредных воздействий внешней среды и состоит из наружных покровных наслоений, или корки, среднего слоя — пробковой ткани и внутреннего слоя, или луба. Кора составляет от 5 до 20% объема дерева.

Под слоем луба находится тонкий слой камбия, состоящий из клеток, способных к делению. Камбий ежегодно откладывает в сто­рону коры клетки луба, а в противоположную сторону — клетки дре­весины.

За камбием располагается толстый слой древесины, который со­стоит из ряда концентрических колец. Каждое такое кольцо соответ­ствует одному году жизни дерева и носит название годичного кольца. На поперечном разрезе ствола некоторых пород дерева можно разли­чить наружную часть — заболонь и внутреннюю, более темную — ядро. Заболонь состоит из живых молодых клеток. Ядро состоит из мертвых клеток.

В центре поперечного сечения ствола по всей его длине прохо­дит сердцевина; она непрочна и легко загнивает. Кроме годичных колец на поперечном разрезе ствола большинства пород можно заме­тить невооруженным глазом узкие полосы, направленные по радиу­сам. Эти полосы называются сердцевинными лучами.

Древесина при небольшом объемном весе обладает сравнитель­но высокой прочностью, упругостью, малой теплопроводностью.

Прочность древесины в различных направлениях неодинакова. Так, прочность ее при растяжении вдоль волокон в 20 - 30 раз боль­ше, чем поперек волокон. На снижение прочности древесины значи­тельное влияние оказывают повышенная влажность, отклонения от нормального строения, повреждения, пороки.

По степени влажности различают древесину: мокрую (влаж­ность больше, чем у свежесрубленной); свежесрубленную (влажность 35% и более); воздушно-сухую (влажность 15 - 20%); комнатную (влажность 8 - 13%).

В древесине различают влагу свободную (заполняет межклеточ­ное пространство) и влагу гигроскопическую (находится в стенках клеток). При высыхании древесина сначала теряет свободную влагу, а затем гигроскопическую.

Влажность древесины, содержащей только гигроскопическую влагу, называется точкой насыщения волокон влагой.

При влажности древесины ниже этой точки начинается усушка древесины, т. е. уменьшение ее объема. При влажности выше точки насыщения объем древесины не увеличивается.

Вследствие неоднородности строения древесина усыхает или разбухает в разных направлениях (поперек и вдоль волокон) неоди­наково, в результате чего возникает коробление деревянных конст­рукций и изделий, поэтому нужно применять древесину с такой влажностью, которая соответствует условиям ее работы в конструк­ции или сооружении.

Повреждения, различные заболевания, неправильности строения древесины называют пороками древесины.

Так, при раскачивании дерева ветром и от сильных морозов об­разуются трещины. Трещины носят название: метик, морозобоина, отлуп.

Метик — это одна или несколько трещин, проходящих радиаль­но через сердцевину ствола (рис. 1.2а);

Морозобоина — наружная продольная трещина (рис. 1.2б);

Отлуп — внутренняя трещина, идущая по годовому слою (рис.

1.2в).

В торцах срубленных деревьев при высыхании появляются тре­щины усушки. Сучки представляют собой основания веток в древе­сине ствола; они нарушают однородность строения дерева и ослаб­ляют его. Различают сучки здоровые, гнилые и табачные.

Гниль — разрушение древесины вследствие развития в ней низших растений — грибов. Некоторые грибы могут развиваться лишь на растущем дереве, другие — только на срубленном. Грибы, развивающиеся преимущественно на мертвой древесине в зданиях и сооружениях, носят название домовых грибов. Такие грибы способны совершенно разрушить древесину в течение нескольких месяцев.

Рис. 1.2. Пороки древесины: а - метик; б - морозобоина; в - отлуп

При влажности древесины 20% и меньше грибы не могут разви­ваться, поэтому наиболее радикальным способом защиты от загнива­ния является сушка древесины до влажности ниже 20%. Если в усло­виях эксплуатации (в здании или сооружении) древесина имеет влаж­ность выше 20%, то необходимо защищать ее от гниения с помощью антисептиков.

Антисептики — вещества, которые обезвреживают грибы, вы­зывающие гниение древесины. Применяются антисептики раствори­мые и нерастворимые в воде. Необходимым условием является их безвредность для человека.

Из растворимых в воде антисептиков применяются: фтористый натрий, кремнефтористый натрий, хлористый цинк; из нераствори­мых (масляных): каменноугольное масло, сланцевое масло.

Антисептики наносятся на поверхности деревянных элементов механизированным способом.

Червоточина — повреждение, причиняемое древесине насеко­мыми. Большой вред наносят древесине короеды, усачи, точильщики и другие насекомые.

Распространенными пороками древесины являются отклонения ствола от нормальной формы:

кривизна — искривление ствола по длине, одностороннее и разностороннее, этот порок снижает сортность лесоматериала;

закомелистость — значительное и резкое утолщение комля (нижней части ствола) по сравнению с остальной частью ствола;

сбежистость — резкое уменьшение толщины бревна от комля до вершины;

косослой — косое (винтообразное) направление волокон по отношению к оси ствола;

свилеватость — резко волнистое или путаное расположение древесных волокон.

1.2.2 Лесные материалы и изделия из древесины

Круглые лесоматериалы (бревна) представляют собой отрезки древесного ствола, очищенные от сучьев и коры, и делятся на строи­тельные и пиловочные бревна, подтоварник и жерди. Бревна имеют толщину в верхнем торце не менее 14 см; подтоварник — от 8 до 11 см и жерди — 3 - 7 см. По качеству древесины материалы этого вида разделяются на три сорта: к первому сорту относятся бревна высоко­го качества; ко второму — бревна с наличием некоторых пороков, за исключением гнили, червоточины и сучков гнилых и табачных; к третьему — бревна с пороками всех разновидностей, за исключением гнили.

Пиломатериалы получаются при продольном распиливании пи­ловочных бревен; в зависимости от количества и наличия пороков пиломатериалы делятся по сортам.

Продольным распиливанием получают пластины, четвертины, горбыль, доски, бруски сечением 50*100 и 130*250 мм. В зависимо­сти от чистоты кромок доски делятся на необрезные, полуобрезные и обрезные (рис. 1.3); доски имеют толщину от 13 до 40 мм.

Заготовки из древесины хвойных и лиственных пород подразде­ляются на пиленые, клееные и калиброванные (простроганные).

Погонажные детали — наличники, раскладки, плинтусы и гал­тели, доски для чистых полов, доски подоконные, поручни и др. — выстрагивают из древесины хвойных и лиственных пород.

Паркет выпускается в виде паркетных досок, наборного паркета, наклеенного на бумагу, штучного паркета.

Строительная фанера представляет собой листы, склеенные из трех и более тонких слоев дерева — шпонов. Шпоны склеиваются так, чтобы направление волокон двух смежных шпонов было взаимно перпендикулярным. Листы фанеры изготовляются толщиной от 2 до 15 мм; число шпонов от 3 до 13.

Рис 1.3. Пиломатериалы: а - пластина; б - четвертина; в - двухкантный брус; г - трехкантный брус; д - четырекантный брус; е - брусок; ж - необрезная доска; з - обрезная доска; и - шпунтованная доска; к - фальцованная доска; л - горбыль

В строительстве применяется клееная, водостойкая, бакелизиро - ванная и декоративная фанера.

Водостойкая фанера изготовляется на специальных клеях, по­этому не коробится и не расслаивается от сырости.

Бакелизированная фанера с одной или с двух сторон покрывает­ся бакелитовой пленкой.

Фанера декоративная применяется для отделки стен, устройства дверных полотен и др.

К строительным изделиям относятся деревянные детали и эле­менты заводского изготовления: клееные балки, арки, сваи, шпунт, клеефанерные щиты, инвентарная опалубка, столярные изделия — оконные и дверные блоки, встроенные шкафы.

1.2.3 Природные каменные материалы

Горные породы применяются в качестве строительных материа­лов и как сырье для производства искусственных строительных мате­риалов. Горные породы представляют собой минеральную массу, со­стоящую из одного или нескольких минералов. Важнейшими породо­образующими минералами являются кварцы, полевые шпаты, каль­циты.

В зависимости от условий образования горные породы делятся на три вида: изверженные (первичные), осадочные (вторичные), ме­таморфические (видоизмененные).

Изверженные породы получились из магмы — огненно-жидкой массы, поднявшейся из глубин земли и затвердевшей при остывании; это — граниты, сиениты, диориты, диабазы, вулканические туфы и др.

Осадочные породы образовались в результате разрушения из­верженных или других пород под влиянием воды, ветра и колебаний температуры. Продукты разрушения перемещались водными потока­ми, осаждаясь в виде пластов в местах более спокойного течения; к пластам примешивались минеральные останки животных и расти­тельных организмов.

К осадочным породам относятся гравий, пески, глины, песчани­ки (представляющие собой сцементированные пески), туф известко­вый, магнезит, доломит, гипс, известняки, мергели, диатомиты, тре­пелы, ракушечники и природный щебень.

Метаморфические породы получились в результате последую­щих изменений изверженных и осадочных пород; это — гнейсы, гли­нистые сланцы, мраморы, кварцит и др.

Природные каменные строительные материалы испытывают на прочность при сжатии, на морозостойкость, на истираемость и на во - допоглощение.

Для природного камня, применяемого в строительстве, установ­лено 18 марок по прочности на сжатие: наименьшая марка 4, наи­большая 1000.

Обладая высоким пределом прочности при сжатии, каменные материалы в то же время имеют низкий предел прочности на растя­жение (примерно в 40 - 60 раз меньше).

В зависимости от способа изготовления материалы и изделия из природного камня подразделяются на пиленые, колотые, рваные, дробленые, молотые, плавленые.

Пиленые или штучные изделия в виде крупных стеновых блоков и камней правильной формы вырезаются из горных пород камнерез­ными машинами. Штучные изделия из тяжелых пород используются для внутренней и наружной облицовки капитальных зданий, для уст­ройства инженерных сооружений, дорог. Стеновые блоки изготовля­ются из песчаников, известняков и туфов, а также из гипсового кам­ня, доломита и других пород.

Колотые материалы получают раскалыванием блоков с после­дующей обработкой поверхности; рваные — взрыванием горной по­роды с последующей сортировкой. Это — бутовый камень в виде кусков неправильной формы, получаемый при разработке чаще всего известняков, песчаников, гранитов, диабазов и других горных пород.

Бутовый камень применяется для кладки фундаментов, стен подвалов, подпорных стен.

Дробленые материалы получают дроблением горной породы с последующим разделением на фракции (щебень, каменная крошка, песок); молотые материалы — при помоле взорванной горной породы (каменная мука, минеральный молотый порошок).

Плавленые материалы, или каменное литье, получают в резуль­тате расплавления горных пород и отливки их в формах.

Некоторые горные породы идут на приготовление таких строи­тельных материалов, как цемент, известь, гипс, кирпич. Природные каменные материалы в виде песка, щебня, гравия широко применя­ются в качестве заполнителей для приготовления искусственных ка­менных материалов — бетонов и растворов.